ΣΑΕ ΙΙ – ΥΔΡΑΥΛΙΚΑ & ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Παρουσίαση με θέμα: "ΣΑΕ ΙΙ – ΥΔΡΑΥΛΙΚΑ & ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΣΑΕ ΙΙ – ΥΔΡΑΥΛΙΚΑ & ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
ΣΤ’ ΕΞΑΜΗΝΟ, Σχολή Μηχανικών, ΑΕΝ Κρήτης Υπεύθυνος Διδάσκων: Δ. Τσιλίκη Χανιά 2017

2 Πνευματικά συστήματα Ορισμός: τα συστήματα που περιλαμβάνουν αέρια ή που χρησιμοποιούν την κίνηση & τα φαινόμενα των αερίων για την παραγωγή έργου ή για τον έλεγχο άλλων συστημάτων. Εργαζόμενο μέσο: πεπιεσμένος αέρας (τις περισσότερες φορές στις βιομηχανικές εφαρμογές)

3 Πνευματικά συστήματα Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα
- Υψηλή ταχύτητα απόκρισης (λόγω απουσίας τριβής) Υψηλό κόστος (συντήρηση αεροσυμπιεστών) Προπαρασκευή του αέρα (αφύγρανση, ρύθμιση πίεσης κύκλου εργασίας & λίπανση κινητών μερών βαλβίδων) - Εύκολη αποθήκευση&μεταφορά (π.χ. δεν χρειάζονται σωληνώσεις επιστροφής) - Καθαρότητα μέσου– ευκολία στη συντήρηση (δεν χρειάζεται εκκένωση ) Το όριο ωφέλιμης δύναμης δύσκολα ξεπερνά τα 20kN (πρακτικά, χρειάζονται ογκώδεις και κοστοβόρες διατάξεις μετατροπής της δυναμικής ενέργειας του αέρα σε μηχανική (επενεργητές) για μεγαλύτερες δυνάμεις) - Αντιεκρηκτικότητα – αναγκαία σε διατάξεις όπου μπορεί η χρήση ηλεκτρισμού να οδηγήσει σε έκρηξη (π.χ. εγκαταστάσεις εύφλεκτων υλικών/LNG) Υψηλός βαθμός ηχορρύπανσης - Δυνατότητα ελέγχου ταχύτητας &δύναμης Κίνδυνος ακαριαίας μετάδοσης μεγάλων δυνάμεων - Μεγάλος βαθμός συμπιεστότητας αέρα (μεγάλη ποσότητα ενέργειας στα αεροφυλάκια)

4 Πνευματικά Συστήματα Βασικές έννοιες για τα αέρια
Ατμοσφαιρική πίεση 𝑃 𝑎𝑡𝑚 : η πίεση που ασκεί μια στήλη αέρα όγκου ενός 𝑚 3 στην επιφάνεια της γης 𝑃 𝑎𝑡𝑚 = ρgh (1atm= bar στην επιφάνεια της θάλασσας) Μέτρηση πίεσης: με μανόμετρα (manometer, pressure gauge). Τα μανόμετρα δείχνουν τη διαφορά πίεσης στο σημείο μέτρησης σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση Απόλυτη πίεση P: P= 𝑃 𝑎𝑡𝑚 + P 𝑔𝑎𝑢𝑔𝑒 Συνθήκη Κίνησης ρευστού: πάντα τα ρευστά (υγρά ή αέρια) για να κινηθούν πρέπει να υπάρχει/δημιουργηθεί διαφορά πίεσης. Συγκεκριμένα κινούνται από καταστάσεις υψηλότερης πίεσης προς καταστάσεις χαμηλότερης πίεσης (Αρχή Ελάχιστης Ενέργειας: γενικά τα σώματα προσπαθούν να φτάσουν σε ισορροπία στην χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη, εν προκειμένω στην χαμηλότερη τιμή δυναμικής ενέργειας)

5 Πνευματικά Συστήματα Νόμοι τελείων αερίων
Ισχύουν για τον αέρα και για πιέσεις μέχρι 10bar με μεγάλη ακρίβεια (σφάλμα μικρότερο της τάξης του 5% στους υπολογισμούς). Για μεγαλύτερες πιέσεις μειώνεται η ικανότητα των αερίων να συμπιέζονται. Νόμος Boyle/Mariott (T=constant, PV=constant) Νόμος Charles (P=constant, V/T=constant) Νόμος Gay-Lussac (V=constant, P/T=constant) Καταστατική εξίσωση τελείων αερίων: PV=nRT ή PV/T=constant (όπου Ρ, η απόλυτη πίεση)

6 Πνευματικά Συστήματα Σύμφωνα με τους νόμους των αερίων:
Μειώνοντας τον όγκο, αυξάνεται η πίεση (μεγέθη αντιστρόφως ανάλογα) για σταθερή θερμοκρασία και αντίστροφα Αυξάνοντας την πίεση, λόγω συμπίεσης, αυξάνεται και η θερμοκρασία (μεγέθη ανάλογα) για σταθερό όγκο και αντίστροφα. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: η συμπίεση του αέρα προκαλεί αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας του αέρα καθώς ο όγκος μειώνεται (P ↑, T ↑, V ↓)

7 Πνευματικά συστήματα Βασικά πνευματικά στοιχεία ενός συστήματος
Συστήματα παραγωγής ροής αέρα (αντλία, κύκλωμα ισχύος) Βαλβίδες : οδήγησης, ελέγχου-εντολοδότησης, ρύθμισης της ροής (τύπου εμβόλου, τύπου πτερυγίου/ακροφυσίου, δύο βαθμίδων, με μηχανική ανατροφοδότηση, ηλεκτροπνευματικές) Συστήματα αποθήκευσης ισχύος (αεριοφυλάκια) Συστήματα ενεργοποίησης (κύλινδροι απλής- διπλής ενέργειας, έμβολα) Συστήματα μετάδοσης και διανομής ισχύος (πνευματικοί διανομείς) Στραγγαλιστές (ρυθμιστές ταχύτητας)

8 Πνευματικά συστήματα- Αεροσυμπιεστές
Αεροσυμπιεστές (air compressors): διατάξεις αναρρόφησης αέρα από το περιβάλλον και συμπίεσης του σε P> 𝑃 𝑎𝑡𝑚 ώστε να αποδοθεί απευθείας προς χρήση ή αποθήκευση του (αεροφυλάκια/ αεροφιάλες) Ανάλογα με τον τρόπο που συμπιέζουν τον αέρα διακρίνονται σε: Παλινδρομικοί ή εμβολοφόροι (reciprocating) απλής ή διπλής ενέργειας: ο αέρας εισέρχεται με αναρρόφηση λόγω του κενού που δημιουργείται από την κίνηση του εμβόλου και συμπιέζεται όταν το έμβολο κινείται αντίθετα Περιστροφικοί εκτοπίσεως (rotary compressors): η πίεση επιτυγχάνεται με α) κατάλληλα διαμορφωμένα πτερύγια (λοβούς/ rotary lobe compressors), β) ολισθαίνοντα περιστρεφόμενα πτερύγια (sliding rotary vane compressors), γ) σπειροειδή ή κοχλιοειδή έμβολα (rotary screw compressors), δ) περιστροφικά υγρά έμβολα (rotary liquid piston compressors). Τα έμβολα, οι έλικες ή τα πτερύγια, ανάλογα με τον τύπο, περιστρέφονται αναρροφώντας τον αέρα και στη συνέχεια συμπιέζουν στην κατάθλιψή τους. Περιστροφικοί αεροσυμπιεστές ροής: α) ακτινικής ροής για τους φυγοκεντρικούς αεροσυμπιεστές (centrifugal air compressors), δηλαδή η ροή του αέρα είναι κάθετη στον άξονα περιστροφής του συμπιεστή , β) αξονικής ροής για τους αξονικούς αεροσυμπιεστές , δηλαδή η ροή του αέρα είναι παράλληλη με τον άξονα περιστροφής του συμπιεστή

9 Πνευματικά συστήματα- Αεροσυμπιεστές
Ανάλογα : Με τον αριθμό των φάσεων/σταδίων/βαθμίδων (μονοφασικοί/ μονοσταδιακοί/ μονοβάθμιοι ή πολυφασικοί/ πολυσταδιακοί/ πολυβάθμιοι) Με την πίεση που επιτυγχάνουν (υψηλής πίεσης, μέσης πίεσης, χαμηλής πίεσης) Με τον τρόπο κίνησης και τη μέθοδο που παρέχει την απαιτούμενη ισχύ ώστε να πραγματοποιείται η συμπίεση (ανεξάρτητοι ή εξαρτημένοι από την κύρια μηχανή) Με την διάταξη του άξονα σε σχέση με τους κυλίνδρους (οριζόντιους, κατακόρυφους, υπό γωνία και με κυλίνδρους σε σειρά ή διάταξη V ή διάταξη W ή υπερκείμενους με διαφορικό έμβολο Με βάση την εγκατάσταση τους (μόνιμοι ή φορητοί) Με βάση τον τρόπο ψύξης (αερόψυκτους, υδρόψυκτους)

10 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής
Κύκλος λειτουργίας καθώς το έμβολο παλινδρομεί μέσα στον κύλινδρο (4 ενεργειακές μεταβολές: εισαγωγή, συμπίεση, κατάθλιψη, εκτόνωση) Η συμπίεση μπορεί να γίνει με 2 τρόπους: ισόθερμα, δηλαδή η θερμότητα που παράγεται να απομακρύνεται με τον ίδιο ρυθμό που παράγεται, προκειμένου να διατηρείται σταθερή. Ισχύει PV=const. αδιαβατικά, δηλαδή δεν συναλλάσσεται θερμότητα με το περιβάλλον, μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου κατά τη συμπίεση. Ισχύει P 𝑽 𝛄 = const. , όπου γ= 𝐶 𝑝 𝐶 𝑣 ο λόγος των ειδικών θερμοχωρητικοτήτων

11 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής
Ούτε η ισόθερμη είναι δυνατόν να γίνει ούτε η αδιαβατική (δηλαδή να μην υπάρχουν απώλειες θερμότητας) Η πραγματική συμπίεση λοιπόν είναι πολυτροπική δηλ. ισχύει P 𝑽 𝒏 = const., όπου n, δείκτης πολυτροπικής διεργασίας για τον οποίο 1<n<γ

12 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής (θεωρητικός κύκλος)
4 →1: δημιουργία χώρου Vα (κίνηση από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ), αναρρόφηση αέρα πίεσης Pα=P1 και θερμοκρασίας Τ1 1→2: κίνηση προς το ΑΝΣ, μείωση χώρου/όγκου, σταδιακή αύξηση πίεσης και θερμοκρασίας του αέρα. Όταν η πίεση φτάσει P2=Pmax ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής (ξεπερνάμε την πίεση του ελατηρίου της βαλβίδας κατάθλιψης) 2→3: ο όγκος συνεχίζει και μειώνεται μέχρι να φτάσει το έμβολο στο ΑΝΣ. Επειδή η βαλβίδα συνεχίζει να είναι ανοιχτή, η πίεση δεν αυξάνεται αλλά παραμένει σταθερή, εώς ότου φτάσουμε στο σημείο 3 όπου θα κλείσει η βαλβίδα εξαγωγής. 3→4: το έμβολο φτάνοντας στο ΑΝΣ σταματά ακαριαία, αφήνοντας ένα διάκενο (Vδ, clearance volume) πριν ξεκινήσει να επιστρέφει προς το ΚΝΣ. Η πίεση στο τέλος (σημείο 4) είναι ελαφρώς μικρότερη της ατμοσφαιρικής με αποτέλεσμα να ανοίξει η βαλβίδα αναρρόφησης για την εισαγωγή νέας ποσότητας αέρα. (στο διάγραμμα φαίνεται να είναι ίση παρόλα αυτά..)

13 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής (πραγματικός κύκλος)
Σημείο 4- αναγκαία η ύπαρξη κενού (δηλαδή πίεσης μικρότερης της ατμοσφαιρικής) για να υπερνικηθεί η αδράνεια της βαλβίδας αναρρόφησης και να γίνει η εισαγωγή του αέρα Διακύμανση γραμμής 4→1: Επειδή η βαλβίδα ανοίγει με δύναμη, ο αέρας δεν μπαίνει παρά ανομοιόμορφα. Ο στραγγαλισμός, ο στροβιλισμός καθώς και η αναπήδηση της βαλβίδας δημιουργούν τη διακύμανση (κυματισμό) της γραμμής. Σταδιακά βλέπουμε την πίεση του αέρα να πηγαίνει στο 1 στην ατμοσφαιρική Σημείο 2- παρατηρούμε ότι το σημείο 2 είναι ψηλότερο από το αντίστοιχο της θεωρητικής. Αυτό γιατί για να γίνει η κατάθλιψη, ο συμπιεσμένος αέρας θα πρέπει να υπερνικήσει μαζί με την πίεση του ελατηρίου και την πίεση που επικρατεί στο δίκτυο κατάθλιψης και ισούται με την πίεση της αεροφιάλης Διακύμανση γραμμής 2→3 : η πίεση είναι πάντα διαρκώς μεγαλύτερη από την πίεση που επικρατεί στην αεροφιάλη, ειδάλλως δεν θα επιτυγχανόταν η εξαγωγή του αέρα από τον κύλινδρο

14 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής (πραγματικός κύκλος)
Αύξηση θερμοκρασίας & απώλειες θερμότητας: Κατά τη διεργασία της συμπίεσης ένα μέρος της ενέργειας που παρέχεται μετατρέπεται σε θερμική (λόγω των τριβών), δηλαδή αύξηση της θερμοκρασίας. Ένα μικρό μόνο μέρος αυτής αποβάλλεται από τα τοιχώματα (μικρή επιφάνεια, λίγος χρόνος) Λύση: Πολυσταδιακή συμπίεση με ενδιάμεση ψύξη. Η ψύξη είναι απαραίτητη για την αύξηση της απόδοσης του συμπιεστή (η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση της πυκνότητας- διαστολή του αέρα μέσα στον κύλινδρο- άρα μείωση της ικανότητας συμπίεσης)

15 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής (συμπίεση δύο σταδίων με ενδιάμεση ψύξη)
Πρώτο στάδιο συμπίεσης (1-2): σχεδόν αδιαβατική Ενδιάμεση ψύξη (2-3): Τ3 < Τ2 Δεύτερο στάδιο συμπίεσης (3-4): Το γραμμοσκιασμένο εμβαδόν δίνει το έργο (έχουμε διάγραμμα πίεσης όγκου που δίνει έργο)) που εξοικονομείται για να γίνει η συμπίεση από το 2 στο 4 με την λύση της ενδιάμεσης ψύξης (διαδρομή 2-3-4) έναντι της λύσης χωρίς ψύξη (2-4)

16 Πνευματικά Συστήματα- Παλινδρομικός αεροσυμπιεστής (συμπίεση τριών σταδίων με ενδιάμεση ψύξη)